基于PROFIBUS总线的故障诊断技术

PROFIBUS在工业现场的应用越来越广泛，其先进的技术为广大的用户提供了优良的产品和解决方案，已经成为设备通讯的重要的组成部分。随着自动化技术的进一步发展，用户对自动化系统的期望越来越高。因此，总线的性能要求会更高，在其出现故障的时候，可以快速的找到其故障的原因和发生的地点，尽量避免因故障带来的设备停机时间。

1 在设备安装和调试时阶段的故障诊断一个自动化系统的生命周期，大概可以分为设备安装阶段、系统调试阶段、设备投产运行阶段以及老化维修阶段。　我们知道Profibus是一套低电压、高频的时差分信号系统。因此，通讯电缆的连接质量和信号品质就显得尤为重要。绝大多数的系统安装错误和通讯问题都是由通讯电缆连接不当造成的。为了减少这些不必要的时间，我们可以在安装的时候选用快速连接电缆，快速连接接头，以及快速剥线工具。根据选定的快速连接接头的型号，我们可以非常容易的在剥线工具上测量出需要剥线的长度，然后由于剥线工具当中内置的多层刀片可以非常精确的将保护层、屏敝层和支持层的电缆一次剥去，通过这种方式，可以杜绝由于屏敝层的长度不足或者通讯线过长引起的电磁兼容性问题。　在调试阶段最主要的工作就是如何迅速有效的优化现场设备之间的通讯关系，排除错误源。总线物理测试仪BT200是专门针对Profibus现场连接质量的评估而设计的。BT200手持式总线物理测试仪能够非常简单的完成对于总线电缆的断线故障、短路故障、电压波动进行检查，同时通过定位电缆反射的技术可以判定电缆的长度，这样，就能够解决大多数现场连接的错误。对于连接到PROFIBUS总线上的单个设备，测试仪也能够对它们的PROFIBUS接口电路进行测试。

2 利用STEP7集成的诊断功能和诊断设备进行诊断 在设备生产运行阶段减少停机时间是操作人员和一线维修维护人员最关心的问题。进入老化维修阶段以后，我们的目标是硬件故障可以在尽可能短的时间内排除，以便大大的减小现场维护的工作量，提高自动化系统的生产效率。

2.1 用STEP7的集成诊断功能实现对故障的分析　

我们可以利用STEP7集成的诊断功能对故障进行分析。首先，我们可以通过STEP7上载当前的总线配置，它的工作过程是这样的：STEP7自动侦测连接到Profibus上的所有可访问站点，然后确认每一个活动站的状态，读取活动站的实际组态信息。这些信息被存储在STEP7的缓存区里，通过连接在线的方式对所有的信息进行访问。由于不需要启动PROFIBUS主站就可以完成上述工作，因此可以有选择的对整条生产线的各个设备子站和自动化系统进行诊断。 当系统出现故障的时候，我们可以通过故障诊断对故障进行判断，以提高解决故障的速度。 图1 故障诊断的画面

STEP7还可以对Profibus主站的诊断缓存区进行访问。由于每一个连接在现场的设备都会发送相应的诊断报文到PROFIBUS主站，因此，在缓存区内可以找到所有想了解的诊断事件的详细内容，如图1所示。这些诊断事件被分成两大类，一大类是由于现场的信号触发的外部事件，另一大类是由系统内触发的内部事件。所有的事件都附带有时间标签（包括月、日、年、小时、分钟、秒和毫秒）每一个诊断事件都包含了一定长度的详细信息描述，因此，以准确的通过时间来分析诊断事件发生的原因、位置并制定出相应的对策。还可以自己定义一些用户事件，在某些条件满足的时候，发送诊断报文到PROFIBUS主站。2.2 利用OB86对故障进行诊断 如果系统发现了一个PROFIBUS DP的错误，则CPU操作系统会调用OB86。在DP错误出现以前以及消失时，系统都会调用OB86。如果事先没编程OB86，则当发生DP这种故障的时候，CPU会进入STOP模式。通过对OB86的参数B#16#38和B#16#39在线监控我们可以知道错误是发生还是离去。如图2的程序所示：

图2 OB86编程实现判断故障的信息

同时还可以通过程序来判断调用原因并响应，建立从站的故障分析。

2.3利用具有诊断功能的总线诊断设备进行故障的诊断带有诊断功能的中继器可以对整个生产自动化系统进行连续不间断的专家级诊断。标准中继器的功能主要是为了解决信号在远距离传输过程中引起的衰减和延迟问题，标准中继器可以有效的对信号进行放大和再生处理，从而扩展网络的规模、保证良好的通讯质量。带有诊断功能的中继器集成了标准中继器的所有功能，同时具备了强大的诊断功能，可以实现Profibus网段的名称解析，系统故障定位，站点之间的距离测量以及生成详细的故障类型报告（比如传感器断线和短路）。在系统配置当中诊断中继器作为一个单独的从站出现。诊断中继器对于Profibus网络的诊断甚至可以通过图形化的方式来实现。通过在线连接方式可以任意一个连接网段进行访问。诊断中继器可以以图形化的方式显示故障的具体位置，比如在节点X和Y之间，并且可以计算出具体的位置（精确到米）。同时诊断中继器还可以报告可能引发故障的原因，并给出技术建议。诊断中继器还可以用图形化的方式显示出当前PROFIBUS网络的拓扑逻辑，检测的结果可以显示在STEP7中或者存储到用户的数据区内。在诊断中继器的内部同样集成了诊断缓存区。对于每一个连接的网段它都可以存储最后10个发生的诊断事件，并且对于每一个诊断事件都提供了基于时间戳的详细信息和图形化的显示方式。?0?2 3 诊断提示信息的显示　对于一线的操作人员和维护人员而言，直观、迅速、清晰的显示是他们对系统诊断的主要要求。在自动化的系统内,所有的活动站都会定期的发送诊断报文到Profibus主站，而PROFIBUS主站也会自动的和定期的将诊断报文传输到人机界面系统，在人机界面上得到详细和清晰的信息。如图3所示，我们可以将一些常用的I/O点通过编程在显示屏上实时显示，当设备出现故障的时候，可以通过检查I/O点的状态来帮助我们判断故障发生原因。同时我们还可以将一些常用的点的强制位做在显示屏上，可以帮助我们快速的对一些故障进行处理。

图3 常用的I/O点在显示屏上的实时显示在STEP7中由于在控制系统内的变量定义和标签与人机界面系统当中的变量定义和标签完全一致并且共享统一的数据库。

人机界面端，用户可以预先定义并设计好诊断画面。在这个诊断画面上通过PLC自动完成诊断数据包功能调用（FB125），现场人员可以直接看到整个自动化系统的诊断画面。并且可以有选择的访问单个结点。在单站浏览的界面当中系统会报告结点的状态、隶属关系、发生故障的槽位以及通道号甚至可以清晰的指明由于外部接线和传感器引起的故障信息和类型。如图4所示。

图4 故障的提示信息画面

我们还可以使用文本消息显示对故障信息进行显示。通过SETP7组态“report system error”，根据需要填写该窗口，然后将“change HW config”传送到CPU中。当系统发生故障的时候，就会在消息窗口中显示相应的报警信息。通过这些信息，可以帮助我们很方便的找到故障发生的地点和原因。

结束语?

通过这些方法，大大的方便了我们快速的查找故障，便利于操作和维修，从而降低我们的维修时间，减少设备的停台，提高利设备的生产效率。随着自动化技术的不断地提高，PROFIBUS的功能会更加的完善，诊断技术的大面积推广必将带动自动化技术总体水平的提高，同时也会促进车间的生产管理、工艺管理、质量管理和设备管理的进步。

研究与发展设备状态监测与故障诊断技术的意义有（BCD）。

A.可以避免事故发生? B.有助于将按时维养改为视情维养? C.有助于实现故障预测和报警? D.能够降低设备生产成本

在线状态检测与故障诊断的定义的扩展：

状态监测与故障诊断就是给机器看病。人不可能不生病，机器在运行过程中出现故障也是不可避免的。

状态监测是指通过一定的途径了解和掌握设备的运行状态，包括利用监测与分析仪器（在线的或离线的），采用各种检测、监视、分析和判别方法，对设备当前的运行状态做出评估（属于正常、还是异常），对异常状态及时做出报警，并为进一步进行的故障分析、性能评估等提供信息和数据。

故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能或状态。通常把设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以及事故前期的状态统统称为故障，有时也把事故直接归为故障。

研究与发展设备状态监测与故障诊断技术的优点的扩展：

1、及时发现故障的早期征兆，以便采取相应的措施，避免、减缓、减少重大事故的发生；

2、一旦发生故障，能自动纪录下故障过程的完整信息，以便事后进行故障原因分析，避免再次发生同类事故；

3、通过对设备异常运行状态的分析，揭示故障的原因、程度、部位，为设备的在线调理、停机检修提供科学依据，延长运行周期，降低维修费用。